T1__BAB III Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Alat Peraga Sistem Maximum Power Point Tracking dengan Metode Perturb and Observe untuk Solar Charger Controller 7 Ampere T1 BAB III

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini, akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras beserta perangkat
lunak sistem yang dibuat.

3.1. Gambaran Sistem
Sistem yang dibuat untuk tugas akhir ini adalah maximum power point tracking
(MPPT) dengan metode perturb and observe (P&O), yaitu sebuah sistem yang dapat
memaksimalkan keluaran dari panel surya dengan mencari titik kerja maksimalnya. Hal ini
bertujuan agar panel surya dapat dimanfaatkan secara maksimal. Berikut adalah diagram
blok dari sistem yang dibuat :
Panel Surya

LCD 20×4
Sensor

Sensor arus

Arduino

Sensor

tegangan

Buck & Boost
Converter

Baterai leadacid

Load control

Beban

Gambar 3.1. Diagram blok sistem
25

Cara kerja dari sistem ini adalah ketika tegangan dan arus keluaran panel surya
melewati sensor, tegangan dan arus tersebut diperhitungkan dengan MPPT oleh Arduino.
Setelah perhitungan selesai, Arduino akan menentukan untuk mengaktifkan buck converter
atau boost converter . Konverter ini digunakan untuk memaksimalkan keluaran panel surya
dengan cara menaikkan maupun menurunkan tegangan. Keluaran dari konverter ini
kemudian menuju langsung ke baterai untuk pengisian. Tegangan dari baterai kemudian

diperhitungkan oleh Arduino melalui sensor. Hal ini bertujuan untuk otomatisasi pengisian.
Kemudian, data yang telah diperoleh ditampilkan oleh LCD.

3.2. Perancangan Perangkat Keras Sistem
Perangkat keras yang digunakan dalam sistem ini adalah Arduino Nano, sensor arus
ACS712, sensor tegangan, LM2577, LM2596, Sunrise Solartech SRM-50D, dan Yuasa
YB7B-B. Secara keseluruhan, perangkat keras yang dibuat memiliki dimensi 18 cm × 18
cm × 9 cm, berikut adalah desain dari perangkat keras yang dibuat :

Gambar 3.2. Desain perangkat keras sistem

26

Gambar 3.3. Bagian dalam sistem
3.2.1. Arduino Nano
Arduino Nano pada sistem ini berfungsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari
pembacaan sensor, pengolahan algoritma MPPT, pengaturan pengisian baterai, hingga
pengaturan saklar beban. Berikut spesifikasi dari Arduino Nano yang digunakan dalam
sistem :

Gambar 3.4. Arduino Nano [24]

27

Tabel 3.1. Spesifikasi Arduino Nano
Mikrokontroler

ATmega328

Arsitektur

AVR

Tegangan Operasi

5V

Memori Flash

32 KB

SRAM

2 KB
16 MHz

Clock Speed

Analog I/O Pins

8

EEPROM

1 KB

Arus DC tiap Pin I/O

40 mA
7 – 12 V

Tegangan Masukan
Digital I/O Pins

22

PWM Output

6

Konsumsi Daya

19 mA

Ukuran PCB

18×45 mm

Berat

7 gr
Tabel 3.2. Koneksi Pin I/O Arduino Nano
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Pin
A0
A1
A2
A3
A4
A5
D2
D3
D4
D5
D9
D10
D11
Reset
Vin
Ground

Terhubung ke
Sensor Tegangan Panel Surya

Sensor Arus ACS712-5A
Sensor Tegangan Baterai
Sensor Arus ACS712-20A
SDA LCD
SCL LCD
Saklar Beban
Saklar Buck Converter
Saklar Boost Converter
Saklar Backlight LCD
LED Merah
LED Hijau
LED Biru
Saklar Reset
5 Volt Tegangan Supply
Ground Tegangan Supply
28

3.2.2. Sensor Arus
ACS712 merupakan sensor arus yang menerapkan efek Hall. Efek Hall adalah gaya
yang timbul akibat adanya pergerakan dari sebuah muatan yang disebabkan oleh medan

listrik dan medan magnet. Terdapat dua jenis ACS712 yang digunakan untuk sistem ini,
yaitu ACS712-5A dan ACS712-20A. ACS712-5A digunakan untuk mengukur arus
keluaran dari panel surya, sedangkan ACS712-20A digunakan untuk mengukur arus pada
beban. Spesifikasi dari sensor ini adalah sebagai berikut :
Tabel 3.3. Spesifikasi Sensor Arus ACS712
Tegangan Operasi

8V

Tegangan Keluaran

8V

Sensitivitas Sensor

• 100 mV/A (ACS712-20A)

Ukuran PCB

31×13 mm

• 185 mV/A (ACS712-5A)

Gambar 3.5. Sensor Arus ACS712 [25]

29

3.2.3. Sensor Tegangan
Sensor tegangan yang digunakan adalah dua buah resistor sebagai pembagi tegangan
dan memiliki hasil akhir keluaran maksimal 5 Volt. Pada sistem yang digunakan ini,
menggunakan dua sensor tegangan, pertama untuk mengukur tegangan keluaran panel
surya dan yang kedua untuk mengukur tegangan baterai.

Gambar 3.6. Rangkaian sensor tegangan
Untuk panel surya dengan tegangan keluaran maksimal 22 Volt, maka resistor yang
digunakan adalah sebagai berikut :
Volt =

�

×

� +�

Volt

(3.1)

Dengan nilai R1 = 10 kΩ, maka akan didapat R2:
�
�Ω + �

=

� =

� =

� =

�Ω + �
�Ω

,

Ω ≈

�Ω

Untuk baterai dengan tegangan maksimal 14.4 Volt, maka resistor yang digunakan
adalah sebagai berikut :
Volt =

�

×

� +�

, Volt

Dengan nilai R1 = 20 kΩ, maka akan didapat R2:
,

=

�
�Ω + �
30

(3.2)

, � =

. � =

� =

�Ω + �
�Ω

,

Ω≈

kΩ

3.2.4. Boost Converter, LM2577
Untuk pengisian baterai 12 Volt 7 Ah, maka akan diperlukan tegangan sebesar 13,8
Volt hingga 14,4 Volt dengan arus 10% hingga 30% dari 7 A atau 0,7 A hingga 2,1 A [26].
Kelebihan tegangan dan arus akan mengakibatkan baterai mengalami kerusakan yang
ditandai dengan munculnya busa. Sedangkan kekurangan tegangan menyebabkan tidak
akan mampu untuk mengisi baterai dan kekurangan arus menyebabkan lebih lamanya
pengisian baterai. Dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.1. akan didapat
komponen rangkaian eksternal boost converter dengan perhitungan :
3.2.4.1. Arus beban maksimal, Iload,max
Dengan tegangan masukan minimal sebesar 7 Volt dan tegangan keluaran 14,4 Volt,
maka berdasar persamaan (2.3) akan didapat arus beban :
�

, ×
,

� , ��

�

,

� , ��

�

Pada penerapan, akan digunakan arus beban maksimal sebesar 1 A.
3.2.4.2. Penentuan nilai Induktansi L
Dari persamaan (2.4) hingga (2.7), maka akan didapat :
��

∙� =
��

,

��

∙� =
,

��

,

=

= ,

=

, + , −
, + , − ,
·

,

− ,

= ,

31

,

− ,
.

� ∙ ��
�

·

Dengan nilai E·T dan Iind,DC di atas dan dari Gambar 2.12, didapat kode induktor
L100. Dengan menggunakan induktor Schott, maka didapat induktor sebesar 100 µH, 3 A.
3.2.4.3. Penentuan nilai Rc, Cc, dan Cout
Nilai Rc didapat dari persamaan (2.8) :
× ×

�

�

,

,

Ω

Dengan nilai Rc tidak lebih dari 3kΩ, maka didapat Rc sebesar 3kΩ. Untuk nilai Cout
dapat dicari dari nilai tertinggi yang didapat dari persamaan (2.9) dan (2.10) berikut :
,

×

× �×

�×
, ×

,

+

�

×

�× ,
× ,

,

×

�

Dari hasil di atas, nilai minimal dari Cout adalah 640,137092 µF. Pada perancangan
alat, digunakan nilai Cout sebesar 1000 µF. Sedangkan nilain Cc didapat dari persamaan
(2.11) :
, ×

,

,

×
×

�

�

Agar rangkaian dapat dimulai dengan baik, maka nilai Cc yang digunakan adalah 0,22
µF.
3.2.4.4. Penentuan nilai R1 dan R2
Tegangan keluaran dari boost converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R2 bernilai
1 kΩ, dari persamaan (2.12) akan didapat R1 sebesar :
, = ,

� =

� =

×

,

×(

32

+
,

,

�
− )

Ω≈

�Ω

3.2.4.5. Penentuan nilai Cin
Berdasarkan datasheet dari IC LM2577, penggunaan kapasitor sebesar 0,1 µF
digunakan di antara pin masukan dan ground.
3.2.4.6. Penentuan dioda D
Keluaran tegangan maksimal dari boost converter yang dibuat adalah 14,4 Volt,
dengan menggunakan Tabel 2.4., maka didapat dioda 1N5820.

3.2.5. Buck Converter LM2596
Untuk buck converter, dari Bab II subbab buck and boost converter poin 2.3.2. akan
didapat komponen rangkaian eksternal dengan perhitungan :
3.2.5.1. Penentuan nilai R1 dan R2
Tegangan keluaran dari buck converter diatur menjadi 14,4 Volt. Dengan R1 bernilai
1 kΩ, dari persamaan (2.13) akan didapat R2 sebesar :
, = ,

� =

� =

3.2.5.2. Penentuan nilai induktansi L

×

,

×(

+
,

,

�
− )

Ω≈

kΩ

Nilai induktansi, L, dapat dicari dari Gambar 2.15. dan Tabel 2.5. Tegangan masukan
maksimal yang diterima dari panel surya adalah 24 Volt, sedang arus beban maksimalnya
adalah 1 A.
∙� =

−

, − ,

∙� =

·

,

, + ,
·
− , + ,
� ∙ ��

Dengan nilai E·T di atas dan arus beban maksimal 1 A, dapat diketahui kode
induktornya adalah L29, dengan besar 100 µH, 1,47 A.
3.2.5.3. Penentuan nilai Cout
Nilai dari kapasitor dapat diketahui dari Tabel 2.6. Dengan keluaran 14,4 Volt, maka
didapat Cout sebesar 220 µF/35 Volt.

33

3.2.5.4. Penentuan nilai Cff
Dari Tabel 2.6., didapat nilai Cff sebesar 680 pF.
3.2.5.5. Penentuan D
Dengan arus 1,3 kali arus beban, maka didapat arus yang melewati dioda sebesar 1,3
A. Sedang nilai tegangan balik sebesar 1,25 tegangan maksimal masukan, maka didapat
tegangan sebesar 30 Volt. Dari nilai-nilai tersebut dan Tabel 2.7., didapat dioda 1N5821.
3.2.5.6. Penentuan nilai Cin
Untuk mencari nilai Cin, dihitung nilai tegangan kapasitor minimal yaitu 1,5 kali
tegangan masukan dan dengan arus 0,5 kali arus beban, sehingga didapat nilai 36 Volt, 500
mA. Dari nilai-nilai itu, besarnya Cin didapat dari Gambar 2.16., yaitu sebesar 120 µF.

3.2.6. Sunrise Solartech SRM-50D
Panel surya yang digunakan untuk sistem ini adalah Sunrise Solartech SRM-50D.
Panel surya ini merupakan jenis panel surya mono-Si. Spesifikasi dari panel surya ini
adalah :
Tabel 3.4. Spesifikasi Panel Surya
Daya standar

50 Wp

Tegangan Daya Maksimum (Vmp)

17,4 V

Arus Daya Maksimum (Imp)

2,88 A

Open Circuit Voltage (Voc)

21,4 V

Short Circuit Current (Ioc)

3,14 A

Tegangan Maksimum Sistem
Jumlah Sel Surya

DC1000W
36

Ukuran Panel Surya

629×535×28 mm

34

Gambar 3.7. Panel surya Sunrise Solartech SRM-50D [27]

3.2.7. Baterai Yuasa YB7B-B
Yuasa YB7B-B adalah baterai lead-acid yang dipakai dalam tugas akhir ini.
Spesifikasi dari baterai ini adalah :
Tabel 3.5. Spesifikasi Baterai Yuasa YB7B-B
Tegangan

12 Volt

Kapasitas

7 Ah

Dimensi

152 × 61 × 132 mm

Berat

3,1 Kg

35

Gambar 3.8. Baterai Yuasa YB7B-B [28]

Pengisian baterai ini diperlukan tegangan antara 2,3 Volt hingga 2,4 Volt tiap selnya,
atau 13,8 Volt hingga 14,4 Volt. Pada kondisi kosong, baterai akan bertegangan 11 Volt
hingga 11,5 Volt. Dan pada kondisi penuh, tegangan baterai akan bertegangan di atas 12,7
Volt.

36

3.3. Perancangan Perangkat Lunak Sistem

Gambar 3.9. Diagram alir perangkat lunak sistem

37

Terdapat tiga subprogram dijalankan secara bersamaan dalam perangkat lunak ini.
Tiga bagian itu antara lain indikator LED, saklar beban, dan kondisi pengisian baterai yang
di dalamnya terdapat MPPT. Penjelasan dari diagram alir pada gambar 3.9. di atas adalah
sebagai berikut :
1.

Ketika sistem mulai dinyalakan, program akan langsung dijalankan.

2.

Sensor akan membaca tegangan dan arus dari panel surya dan tegangan baterai (Vsp,
Vbt, dan Isp).

3.

Program menghitung daya dari panel surya (Psp).

4.

Ketiga subprogram dijalankan sebagai berikut :
a.

Indikator LED :
i.

Ketika tegangan baterai (Vbt) kurang dari 11,7 Volt, LED merah akan
dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi habis dan perlu diisi
ulang.

ii.

Ketika tegangan baterai (Vbt) di antara 11,7 Volt dan 13 Volt, LED hijau akan
dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai masih bisa untuk dipakai.

iii.

Ketika tegangan baterai (Vbt) di antara 13 Volt dan 14 Volt, LED putih
dinyalakan. Hal ini menunjukkan baterai pada kondisi penuh dan siap pakai.

iv.

Ketika tegangan baterai (Vbt) lebih dari 14 Volt, LED putih berkedip. Hal ini
menunjukkan baterai telah overcharged dan perlu untuk mematikan pengisi
baterai.

b.

Saklar beban :
i.

Ketika daya dari panel surya kurang dari 2 Watt dan tegangan baterai lebih
dari 11,7 Volt, saklar beban akan diaktifkan. Hal ini dikarenakan pada kondisi
daya panel surya 2 Watt menunjukkan suasana mendung atau gelap dan
baterai mencukupi untuk digunakan, sehingga saklar beban diaktifkan.

ii.

Ketika kondisi berlawanan dengan kondisi di atas, saklar beban akan
dimatikan. Hal ini dikarenakan baterai tidak mampu untuk digunakan dan
panel surya dapat mengisi baterai.

c.

Kondisi pengisian aki :
i.

Ketika daya panel surya kurang dari 1 Watt dan tegangan baterai lebih dari
12,5 Volt, pengisian baterai dimatikan.
38

ii.

Ketika daya panel surya lebih dari 1 Watt dan tegangan baterai kurang dari
12,5 Volt, pengisian dimulai.

iii.

Saat tegangan baterai lebih dari 13,6 Volt, pengisi baterai dimatikan dan
diberi delay 10 detik. Hal ini karena baterai sudah penuh, akan tetapi jika
kurang dari 10 detik tegangan baterai drop, pengisian dilakukan kembali.

iv.

Jika tegangan baterai kurang dari 13,6 Volt, pengisi baterai diaktifkan dengan
mengggunakan MPPT-P&O sebagai berikut :
•

Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan
tegangan saat ini juga lebih dari sebelumnya, maka boost converter akan
dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya dari

•

panel surya dapat maksimal.
Saat daya panel surya pada kondisi saat ini lebih dari sebelumnya dan
tegangan saat ini kurang dari sebelumnya, maka buck converter akan
dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari

•

panel surya dapat maksimal.
Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan
tegangan saat ini lebih dari sebelumnya, maka buck converter akan
dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menurunkan tegangan agar daya dari

•

panel surya dapat maksimal.
Saat daya panel surya pada kondisi saat ini kurang dari sebelumnya dan
tegangan saat ini juga kurang dari sebelumnya, maka boost converter
akan dinyalakan. Hal ini bertujuan untuk menaikkan tegangan agar daya
dari panel surya dapat maksimal.

39